项国辉，欧阳金栋，刘慧慧，王艳丽

（1.空军装备部驻南昌地区军事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工业洪都，江西 南昌,330024）

0 引言

损伤容限型TC4-DT钛合金在保持高强度前提下有效的提升了断裂韧性与裂纹扩展速率等损伤评价指标，已成为航空飞行器重要的损伤容限结构材料[1-3]。表面完整性是影响损伤容限的重要因素之一，其包含了表面形貌特征及表面层特征两个方面，其中粗糙度、波纹、残余应力、裂纹、晶间腐蚀等均是表面完整性评价的重要指标[4]。金属切削加工过程中，在刀具作用下导致材料切削表面的应力、应变以及温度等产生了复杂的变化，直接影响了材料表面的残余应力分布以及粗糙度等表面完整性指标[5]。

Parida通过试验及有限元分析研究了TC4钛合金钻削中切削速度及进给量对刀具受力、应力、应变及温度的影响[6]。Shetty等试验研究了不同钻削速度、进给量以及不同钻头顶尖角对于TC4钛合金钻削后表面粗糙度及切屑厚度的影响规律[7]。刘超杰进行了钛基复合材料高速磨削加工磨削力仿真分析，验证了模型的准确性[8]。Chatterjee等通过模拟及试验方法获取了不同钻削参数对TC4钛合金钻削的切削力及钻孔圆度，并建立了经验模型预测相关钻削结果，通过和声搜索算法进行钻削工艺参数优化[9]。陈杰及廖科伟等分别通过试验及模拟研究了TC4钛合金深孔钻削过程中切削速度、进给量等工艺参数对于刀具受力、钻孔圆度、表面粗糙度等的影响规律，并获得了优化的钻削参数[10-11]。王明海等对TC4钛合金切削表面残余应力进行了模拟研究，分析了刀具刃口及材料变形对切削表面残余应力及表面质量的影响[5]。杨成云等建立了TC4钛合金铣削有限元模型，研究了切削速度、切削深度等对表面残余应力的影响，通过回归模型及遗传算法进行了切削参数优化[12]。

目前针对损伤容限型TC4-DT钛合金钻削工艺研究较少，对于TC4-DT钛合金钻削工艺参数对表面完整性的影响规律尚不明确。本文以TC4-DT钛合金试验材料，采用不同材质、直径的麻花钻头进行钻削试验，对不同钻削速度下成孔后周边残余应力以及成孔表面粗糙度进行试验分析，研究TC4-DT钛合金麻花钻钻削工艺对表面完整性影响规律，建立有限元仿真模型预测钻削后的残余应力分布，为优化钻削工艺参数、提高钻削质量提供依据。

1 钻削试验研究

1.1 试验方案

本研究中采用退火态TC4-DT钛合金，其化学成分如表1所示。

试验所采用的钻削试样规格为60×50×10mm。钻削试验采用Z5140B方柱立式钻床。钻削试样及其定位装夹如图1所示。

表1 TC4-DT钛合金化学成分

图1 TC4-DT钛合金钻削试样及其定位装夹

钻削试验中分别采用硬质合金YG6X及HSS高速钢钻头对TC4-DT试样进行钻削模拟研究，进给量为0.056 mm/r，试验方案如表2所示。

表2 钻削试验方案

采用YE2539高速静态应变仪、BSF120-1.5CA-T型应变花及台式钻床(见图2），应用小孔法对TC4-DT钛合金不同钻削工艺参数的试样进行残余应力测试，小孔直径为2a，钻孔深度为1.8mm，相应残余应力计算公式为：

每个试样上测试三个点，分别在距离钻孔边缘5mm、8mm、13mm进行测试，为了准确的得到测点残余应力，采用三次重复试验取平均值。

图2 小孔法测残余应力

采用Mahr Perthometer M1便携式粗糙度测量仪进行内孔表面粗糙度测量（见图3）。

图3 TC4-DT钻孔表面粗糙度测量

1.2 试验结果与分析

图4为不同钻削条件下孔周围残余应力沿孔径向的分布情况结果。不同条件钻削后孔周围的平面残余应力σ1、σ2沿着孔的径向分布为先减小后增大；随着钻削工艺线速度的增大，钻后孔周围的平面残余应力σ1、σ2均呈减小的趋势；随着钻头直径的增加，钻削后孔周边的残余应力呈下降趋势；硬质合金刀具钻削后孔周围的残余应力相比高速钢刀具钻削后的残余应力更大。

由图5不同钻削条件下孔内表面粗糙度测量结果可知：采用高速钢钻头、钻削速度为11m/min及31m/min和采用硬质合金钻头、钻削速度为11m/min及31m/min，钻得直径为φ15mm的孔的粗糙度最小分别为 Ra=0.75 μm、Ra=0.63 μm 和 Ra=0.67 μm、Ra=0.88 μm；采用高速钢钻头、钻削速度为22m/min和采用硬质合金钻头、钻削速度为22m/min，钻得直径为φ18mm的孔的粗糙度最小分别为Ra=0.71 μm和 Ra=0.63 μm。

图4 不同钻削条件下孔周围残余应力沿孔径向的分布情况

图5 不同钻削条件下孔内表面粗糙度

分别采用高速钢和硬质合金钻头对TC4-DT钛合金钻φ10mm的孔时，钻削速度分别为31m/min时，测得的粗糙度最小分别为Ra=0.73 μm和Ra=0.76 μm；由图可知分别采用高速钢和硬质合金钻头对TC4-DT钛合金钻φ15mm的孔时，钻削速度分别为31m/min和 11m/min时，测得的粗糙度最小分别为Ra=0.63 μm和Ra=0.67 μm；由图可知分别采用高速钢和硬质合金钻头对TC4-DT钛合金钻φ18mm的孔时，钻削速度为22m/min时，测得的粗糙度最小分别为 Ra=0.71 μm 和 Ra=0.63μm。

2 钻削有限元模拟仿真

2.1 有限元模型构建

利用有限元软件Abaqus，以Johnson-Cook模型为材料本构模型建立钛合金TC4-DTYG6X硬质合金钻头钻削加工有限元模型。利用该钻削模型模拟钻削参数（钻削速度、钻孔直径）变化对工件残余应力分布的影响。Johnson-Cook模型为：

Johnson-Cook模型各参数如表3所示。

模型中刀具使用的是YG6X硬质合金钻头，其主要成分是93.5%的WC和6%的Co，密度14.6～15.0kg/m3。刀具材料数据如表4所示。

如图6所示，模型中钻头直径分别为10mm、15mm、18mm。工件为长60mm，宽50mm，厚底为8mm。在这里给刀具施加Z方向的进给量，以及绕z轴顺时针的旋转速度，对工件的四周两侧约束六个方向的自由度，对刀具和工件施加面接触。

表3 TC4-DT Johnson-Cook模型材料参数

表4 刀具材料参数

图6 铣削加工有限元模型（钻头直径10mm）

2.2 仿真结果与分析

不同切削速度、不同直径钻削加工时被加工材料的残余应力分布有限元模拟结果如图7所示。

表5列出了TC4-DT钛合金钻削加工后，零件表面释放残余应力实验值与模拟值的对比，从表中可以看到，实验值与模拟值数据的相对误差基本控制在30%内，绝对误差大部分控制在20MPa以下。有少数测点的相对误差达到50%以上，其中，Φ10mm 31.0m/min切削速度下甚至达到98.9%，模拟结果误差最大。

图7 不同切削速度、不同直径钻削加工时被加工材料的残余应力分布有限元模拟结果

图8 Φ10mm钻削试验与模拟结果

图8为Φ10mm孔钻削试验与模拟结果对比曲线，22.0m/min切削速度下，与距离的孔缘距离为8mm的模拟结果与试验值相差较大，其余试验值与模拟值接近，且试验值的变化趋势和模拟值的变化趋势基本一致。

3 结论

通过钻削过程表面残余应力及粗糙度试验研究及模拟仿真结果，得出以下结论：

钻削后孔周围的平面残余应力沿着孔的径向分布先减小后增大；随着钻削工艺线速度的增大，钻后孔周围的平面残余应力减小；硬质合金刀具比高速钢刀具钻削后孔周围残余应力大；随着钻头直径的增加，钻削后孔周边的残余应力下降。

表5 TC4-DT钛合金钻削加工后零件表面释放残余应力模拟误差

硬质合金与高速钢材料钻头均在低切削速度下，钻削Φ18mm孔的粗糙度相对较大，在高切削速度下，钻削Φ10mm孔的粗糙度相对较大；相同钻削条件下，高速钢钻头比硬质合金钻头钻削孔表面粗糙度大；相同钻削条件下，孔径与钻削速度对孔表面粗糙度影响不明显。